張敏玥 袁海泉

摘要：筆試題是我國中考、高考物理實驗技能考查的重要方式，有必要研究實驗筆試題的考查功能.本文通過分析IGCSE物理實驗筆試卷，總結出水溫變化實驗重點考查了學生實驗數(shù)據(jù)處理技能、實驗誤差控制與分析技能和實驗設計技能.據(jù)此，提出了對我國初中物理實驗教學和命題的建議.

關鍵詞：物理實驗;IGCSE考試;水溫變化實驗

作者簡介：張敏玥（1997-），女，上海人，本科生在讀，研究方向：中學物理教學;

袁海泉（1962-），男，江蘇南京人，碩士，副教授，研究方向：物理教學論.物理學是一門以實驗為基礎的科學.物理學科的核心素養(yǎng)是學生在物理學習過程中逐步形成、長期積累的行動習慣和關鍵能力[1].中學生不僅要掌握物理基礎知識，還應學會物理實驗的基本方法和技能，培養(yǎng)良好的科學素質與創(chuàng)新精神.目前，我國中學物理實驗的考查基本采用筆試方式，而IGCSE用筆試方式考查學生實驗技能已有多年歷史，因此研究IGCSE實驗筆試卷如何評判學生實驗能力很有價值.

1IGCSE考試物理試卷結構簡介

IGCSE（International General Certificate of Secondary Education）是由國際劍橋考試委員會主辦，面向14-16歲學生的國際普通中等教育認證的簡稱.IGCSE考試主要在每年的夏季（5-6月）和冬季（11-12月）進行兩次測試，每次物理考試有6份試卷（Paper 1-Paper 6），每份試卷針對不同考區(qū)有3套試題.

學生可以選擇考試的難度.參加核心課程內(nèi)容考試的學生，考Paper 1、Paper 3以及Paper 5或者Paper 6;參加拓展課程內(nèi)容考試的學生，考Paper 2、Paper 4以及Paper 5或者Paper 6.概括起來，IGCSE物理學科試卷結構如表1所示.

2 IGCSE物理學科課程要求

在研究筆試題之前，我們有必要分析課程要求.筆者選取了2019年版的IGCSE物理教學大綱（syllabus）[2]進行分析.特別說明的是，IGCSE每年更新一次教學大綱，雖然它在內(nèi)容編排、說明上更接近于我國的考綱，但是在指導教師教學與考生考試方面，IGCSE教學大綱與我國的課程標準作用一致.

表2呈現(xiàn)了2019年IGCSE物理教學大綱中的評價目標（assessment objectives）以及各個評價目標在IGCSE物理學科考試的各份試卷中的比重.

從“實驗技能和探究”目標在IGCSE實驗筆試卷中比重為100%，我們可以發(fā)現(xiàn)實驗筆試卷重點評價學生的“實驗技能和探究”能力，弱化了對“知識點的了解”以及“處理信息和解決問題的能力”的考查.

其中，“實驗技能和探究”目標對考生的具體要求為：（1）能安全地使用技術、儀器和材料;（2）能制定實驗和調(diào)查計劃;（3）能進行實驗并記錄觀察結果、測量數(shù)據(jù)和估計值;（4）能解釋并評估實驗結果和數(shù)據(jù);（5）能評估實驗方法并給出改進建議.此外，教學大綱還列出了17個考生應具備的能力，對實驗技能提出了具體的要求，這里本文不再一一贅述.

3水溫變化實驗考查頻度分析

筆者查閱了近年來IGCSE物理實驗操作卷（Paper 5）和實驗筆試卷（Paper 6），發(fā)現(xiàn)操作卷與筆試卷題型類似.因此，選取了2015-2017年夏、冬兩季各考區(qū)共18套實驗筆試卷（Paper 6）為研究對象.通過閱讀與研究實驗筆試卷，筆者發(fā)現(xiàn)水溫變化題有研究價值.

水溫變化實驗筆試題目考查頻度很高，18套試卷中共有17套試卷、18道試題.據(jù)表3統(tǒng)計，該實驗的平均占分比為20.6%，2016年夏季（考區(qū)1）卷占分比最高為30.0%，而最低占分比為17.5%.雖然不同季不同考區(qū)的實驗筆試卷中水溫變化實驗題的分值會略有波動，但是它的考查頻度比國內(nèi)中考卷高得多，因此值得進一步研究.

4水溫變化實驗筆試題的實驗技能考查分析

綜合分析真題的考核功能，對于研究如何評判學生的實驗能力至關重要.筆者從IGCSE水溫變化筆試題的考核功能出發(fā)，分析出其技能考核主要集中在以下三個方面.

4.1實驗數(shù)據(jù)處理技能

IGCSE對于學生處理數(shù)據(jù)的能力要求較高.教學大綱對于表格、圖像以及數(shù)值結果都有明確的要求，考題對作圖的要求尤為嚴格.因此，筆者以作圖法處理實驗數(shù)據(jù)為切入點，研究IGCSE對實驗數(shù)據(jù)處理技能的考查.

以2015年夏季 （考區(qū)1）第二題為例，示意圖如圖1.題干描述的是一位同學用溫度計測量了燒杯中熱水的初始溫度，然后讓熱水自然冷卻并每30秒記錄水溫.試題要求考生填寫表頭中的單位與初始溫度、畫出水溫隨時間變化的圖像、陳述水冷卻速率變化的特征并根據(jù)圖像闡述理由.

本題共計9分，其中用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)占5分，并且試題僅提供網(wǎng)格，沒有任何其他提示.相比較而言，我國中考卷考查作圖法的頻率更低，并且要求更低，大多試題提供的網(wǎng)格都標明了原點、自變量、因變量，甚至標明了橫軸與縱軸旁的數(shù)據(jù);而我國近十年江蘇省物理高考卷有九年涉及作圖題，考查頻率很高.結合表4中IGCSE作圖題的評分細則，我們可以發(fā)現(xiàn)IGCSE非常重視學生的實驗數(shù)據(jù)處理技能.

圖像相較于表格更加簡明、直觀，可以幫助學生定性地理解實驗規(guī)律.此外，用作圖法處理數(shù)據(jù)的題型具有很強的真實情景性，能反映考生對實驗方案的理解程度、引導學生減小實驗中的偶然誤差.筆者認為我國中考的命題方式考查學生的實驗技能較少且不利于提高學生分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的能力.

4.2實驗誤差控制與分析技能

雖然初中物理實驗較為簡單并且對精度的要求不高，但認真分析實驗誤差來源、改進實驗方案能提高學生分析問題的能力，有助于培養(yǎng)學生嚴謹認真、實事求是的科學態(tài)度.IGCSE實驗筆試卷在實驗前、實驗中和實驗后均不同程度地考查了學生實驗誤差控制與分析技能，具體表現(xiàn)如下.

4.2.1實驗前分析環(huán)境與儀器的影響

2015-2017年IGCSE實驗筆試的18套試卷中有18道水溫變化實驗試題，其中有12道考查了溫度計的使用（包括了4道開放性實驗設計題），具體設問為“請說明一條預防措施以確保溫度計的示數(shù)盡可能的可靠”.該類題型一般只要考生寫出1-2條預防措施即可取得該項滿分，筆者總結了參考答案，具體如下.

（1）等溫度計示數(shù)不再上升后讀數(shù).

（2）垂直于溫度計讀數(shù)/在與視線水平方向讀數(shù).

（3）讀數(shù)前攪拌液體.

（4）溫度計測溫泡放在水的中央/不接觸燒杯.

（5）保持溫度計在同一深度.

（6）把秒表放在接近溫度計的位置/快速讀出示數(shù)/保證適時讀數(shù)/各操作之間沒有不當延誤.

從參考答案中可以發(fā)現(xiàn)，IGCSE考試鼓勵考生從儀器的使用、變量的控制、讀數(shù)的同時性等多方面分析問題，消除實驗中與個人讀數(shù)反應能力、溫度計放置位置、秒表放置位置等有關的偶然誤差，以獲得較為準確的實驗數(shù)據(jù).

4.2.2實驗中發(fā)現(xiàn)、分析實際值與理想值的差異

IGCSE溫度變化的試題關注實驗中實際值與理想值的差異，這類試題具有很強的訓練價值.以2016年冬季（考區(qū)1）第二題為例，題干描述的是：在探究水冷卻時，一位同學將100cm3、88℃的熱水倒入燒杯中，再倒入100cm3、19℃的冷水.他計算出了熱水與冷水的平均溫度為53.5℃，卻發(fā)現(xiàn)實際測出的水溫為46℃，小于平均值.為了減少熱能的損失，試題要求考生利用有孔的蓋子、絕熱材料、兩根橡皮筋設計實驗，并寫出實驗中需要保持不變的實驗條件.

類似地，2015年冬季（考區(qū)1）水溫變化題也以此為背景設問，區(qū)別是題目將實驗現(xiàn)象拋給考生，讓他們分析造成實際水溫與平均水溫不同的影響因素，參考答案包括：（1）水向燒杯和周圍環(huán)境放出熱量/蒸發(fā)使水溫降低;（2）讀溫度計示數(shù)時的時間延誤;（3）測量體積時的誤差.這里，參考答案忽略了溫度對水密度的影響，并且沒有從熱容角度考查學生對知識點的理解與運用，而是從實驗系統(tǒng)誤差、實驗規(guī)范的角度解釋實際值與理想值的差異.

實驗是發(fā)現(xiàn)、了解、探索自然規(guī)律的重要途徑.雖然解決問題很重要，但是引導學生發(fā)現(xiàn)問題更有價值.分析實際與理想差異的題型能將學生從發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象的層面引領到探究科學問題的層面，鼓勵學生尊重實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題.

筆者認為在命題時可以將以上兩種命題思路結合，先使學生發(fā)現(xiàn)問題，然后引導學生分析造成實際值與理想值不同的原因，最后鼓勵學生設計實驗解決問題.這樣，能更好地評判學生的實驗能力.

4.2.3實驗結束后強調(diào)優(yōu)化實驗的方法

優(yōu)化實驗的題型能調(diào)動學生的發(fā)散性思維、體驗科學探究的趣味與艱辛、經(jīng)歷真實探究的全過程并培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度.筆者總結了三種典型的題型，具體如下：

（1）直接考查實驗中的無關變量

以2016年冬季（考區(qū)1）試題為例，要求考生寫出兩個保持不變的實驗條件.參考答案如下：室溫（或者其他環(huán)境因素）、冷水（初始）溫度、熱水（初始）溫度、水的體積、燒杯的尺寸/形狀/材料/表面積.這種設問方式簡潔明了，旨在考查學生對自變量、因變量和無關變量的掌握程度以及學生思考的全面性.

（2）直接考查對儀器或實驗步驟的優(yōu)化

以2016年冬季（考區(qū)3）試題“探究液體表面積對水冷卻效果”為例，要求考生寫出一條對儀器的改進方法以及提出該方法的原因.這類題型的優(yōu)化方法主要有：用絕熱材料包裹燒杯壁、使用塑料燒杯、把燒杯放在墊子上、給燒杯加蓋子/使用更厚或更絕熱的蓋子.回答原因時，一般考生只要提到使自變量成為實驗中唯一的變量或者更少的熱能從燒杯壁傳導/向環(huán)境輻射即可.

（3）創(chuàng)設情境考查優(yōu)化實驗

以2015年冬季（考區(qū)3）“探究熱傳遞”為例，題干描述的是一位學生做了兩組實驗，一組是將裝有50cm3冷水的試管放入裝有300cm3熱水的燒杯中，另一組是把裝有25cm3冷水的試管放入裝有300cm3熱水的燒杯中，他記錄了試管與燒杯的溫度變化.最后一問的情境為：某工業(yè)實驗室的科學家們希望把這個實驗看成是一種液體間熱傳遞的模型.要求考生提出兩條建議使冷水加熱的效率更高并寫出其中一條建議的原因.參考答案中針對優(yōu)化儀器的建議有：給燒杯（或試管）加蓋子、給燒杯包裹隔熱材料、在試管里加棉絮、使試管有更大的接觸面積.針對優(yōu)化實驗操作的建議有：使試管內(nèi)冷水水位低于熱水水位、運用水浴法.

此外，還有以學生視角創(chuàng)設情境的命題，以2017年夏季（考區(qū)1）試題為例.題干描述的是：冷卻200cm3的熱水，每180秒記錄一次水溫.根據(jù)表格中已有數(shù)據(jù)，0-180秒的溫差θ1為11℃，180-360秒的溫差θ2為8 ℃.倒數(shù)第二問情境為：另一位同學想要探究影響溫差θ1和θ2的因素.要求考生提出兩個操作變化使他能獲得θ1和θ2差異更大的實驗結果.本題實質上鼓勵學生進一步思考如何將實驗結果優(yōu)化.

4.3實驗設計技能

2016年夏季（考區(qū)1）、2016年冬季（考區(qū)2）、2017年夏季（考區(qū)2）以及2017年夏季（考區(qū)3）的溫度變化題均以開放性實驗設計的方式呈現(xiàn).它們分別探究了絕熱材料對水冷卻的影響、加蓋對水沸騰時間的影響、空氣流動對水冷卻的影響以及絕熱材料層數(shù)對水冷卻的影響.一般該類題型明確要求考生寫出需要使用的儀器、需要控制的關鍵變量以及實驗步驟.此外，還要求考生畫出表格、寫明表頭、解釋如何通過數(shù)據(jù)得出結論、闡述為了得到可靠的數(shù)據(jù)而采取的預防措施.

相比較而言，我國中考卷基本不涉及該類題型.筆者認為開放性實驗設計能留出空間給考生發(fā)揮自己的聰明才智，避免了他們按照既定的步驟，“照方抓藥”地思考問題，從而更好地將考生的實驗能力與科學素養(yǎng)外顯.

5對初中物理教學以及實驗命題的建議

IGCSE物理學科考試在實驗部分獨立成卷，對學生實驗技能的要求較高.對比之下，我國中考的實驗探究題多出現(xiàn)在解答題部分并且重點考查學生對知識點的掌握.筆者認為這兩種命題方式不存在絕對的好壞，可以學習IGCSE物理實驗卷在實驗技能考查上的優(yōu)點的同時，保留自己的優(yōu)點.在此，對初中實驗教學和實驗命題提出以下建議：

5.1滲透科學探究性思維

教師在實驗教學時可以借鑒IGCSE開放性實驗設計題，將實驗儀器、清單（標明在設計實驗方案時需要考慮的方面）提供給學生，引導學生積極分析實驗原理、自主設計實驗方案、主動反思實驗步驟.特別是在創(chuàng)設實驗情境時，教師不僅可以利用學生的認知矛盾（經(jīng)驗上的欠缺、經(jīng)驗型錯誤、思維定勢）[3]，還可以學習IGCSE實驗筆試卷中創(chuàng)設情境的方法，充分調(diào)動學生積極性.這樣，使原本的演示實驗轉變?yōu)閷W生借助老師的“腳手架”后可以獨立探究的實驗，進而加深學生對知識的理解、提高他們的實驗探究技能.

5.2淡化實驗題對演繹推理能力的考查

演繹推理能力以及對知識點掌握程度的考查可以在選擇題以及計算題部分體現(xiàn)，在實驗探究題部分可以弱化對它們的考查.

5.3加強筆試題對實驗技能的考查

在命題時，提高對學生實驗設計技能、實驗數(shù)據(jù)處理技能、實驗誤差控制與分析技能的關注.通過多樣的命題思路使實驗筆試題更具訓練性與教育性，從而更好地將學生的實驗技能外顯，輔助教師評判學生的實驗探究能力.

參考文獻：

[1]曹義才.基于核心素養(yǎng)導向的中學物理實驗教學表現(xiàn)性評價[J].物理教師，2016，37（07）：9-11.

[2]姜楠，袁海泉.英國IGCSE物理實驗筆試特點分析及啟示[J].中學物理，2019，37（12）：7-9.

[3]Syllabus Cambridge IGCSE Physics 0625 for examination in June and November 2019.

[4]周建軍.創(chuàng)設物理實驗情境，增強教學有效性[J].物理教學，2015，37（08）：20-21+78.

（收稿日期：2019-05-20）